Раздел 4. Порядок и беспорядок в природе

Динамические и статистические закономерности в природе

Классическая механика Ньютона сыграла и играет до сих пор огромную роль в развитии естествознания. Она объясняет множество физических явлений и процессов в земных и неземных условиях, составляет основу для многих технических достижений в течение длительного времени. На её фундаменте формировались многие методы научных исследований в различных отраслях естествознания. Во многом она определила мышление и мировоззрение. Вплоть до начала 20 в. в науке господствовало механическое мировоззрение, физическая сущность которого заключается в том, что все явления природы можно объяснить движением частиц и тел.

Причинное объяснение многих физических явлений, т. е. реальное воплощение зародившегося ещё в древности принципа причинности в естествознании, привело в конце 18 – начало 19 вв. к неизбежной абсолютизации классической механики. Возникло философское учение – механистический детерминизм, класическим представителем которого был Пьер Симон Лаплас (1749–1827), французский математик, физик и философ. Лапласовский детерминизм выражает свою идею абсолютного детерминизма – уверенность в том, что всё происходящее имеет причину в человеческом понятии и есть непознанная разумом необходимость. Лаплас утверждал, что

Ум (любопытно, что Лаплас не употребил слово «Бог», и когда Наполеон спросил его, почему он не упомянул Бога, тот ответил, что не нуждается в такой гипотезе), способный взором охватить всю Вселенную, и определить в данный момент времени координаты всех частиц во Вселенной, может, используя законы классической механики, определить их состояние в любой момент времени, как в прошлом, так и в будущем. В таком мире нет места случаю.

Однако развитие статистической, а затем квантовой физики показало, что законы микромира носят вероятностный характер. Дальнейшее развитие физики показало приоритет вероятностных законов над динамическими. На самом деле динамические законы также носят вероятностный характер. Но вероятность этих законов близка к единице, т.к. динамические законы формулировались для макрообъектов (тел), для которых флуктуации (отклонения от средних значений) величин весьма малы. В микромире ситуация радикально меняется – детерминизм в нем не применим, как и законы классической механики.

В 1927 г. немецкий физик В. Гейзенберг сформулировал принцип неопределенности, который утверждает, что чем точнее мы будем стремиться определить координату частицы, тем менее точно мы сможем определить ее импульс и наоборот. Или, то же самое, чем точнее мы будем измерять энергию частицы, тем менее точно мы будем знать, когда эта частица обладает такой энергией и наоборот.

Изучая микрочастицы, учёные столкнулись с парадоксальной, с точки зрения классической науки, ситуацией: одни и те же объекты обнаруживали как волновые, так и корпускулярные свойства.

Первый шаг в этом направлении был сделан немецким физиком М. Планком. Как известно, в конце XIX в. в физике возникла трудность, которая получила название “ультрафиолетовой катастрофы”. В соответствии с расчётами по формуле классической электродинамики интенсивность теплового излучения абсолютно чёрного тела должна была неограниченно возрастать, что явно противоречило опыту.

Первым физиком, который восторженно принял открытие элементарного кванта действия и творчески развил его, был Альберт Эйнштейн. В 1905 г. он перенёс гениальную идею квантового поглощения и отдачи энергии при тепловом излучении на излучение вообще и таким образом обосновал новое учение о свете.

Представление о свете как о дожде быстро движущихся квантов было чрезвычайно смелым, почти дерзким, в правильность которого вначале поверили немногие. Прежде всего, с расширением квантовой гипотезы до квантовой теории света был не согласен сам М. Планк, относивший свою квантовую формулу только к рассматриваемым им законам теплового излучения чёрного тела.

В 1924 г. произошло одно из величайших событий в истории физики: французский физик Луи де Бройль выдвинул идею о волновых свойствах частиц вещества. В своей работе “Свет и материя” он писал о необходимости использовать волновые и корпускулярные представления не только в соответствии с учением А. Эйнштейна в теории света, но также и теории материи (вещества). Л. Бройль утверждал, что волновые свойства, наряду с корпускулярными, присущи всем видам материи: электронам, протонам, атомам, молекулам и даже макроскопическим телам.

Признание корпускулярно – волнового дуализма в современной физике стало всеобщим. Любой материальный объект характеризуется наличием как корпускулярных, так и волновых свойств.

Тот факт, что один и тот же объект проявляется и как частица и как волна, разрушал традиционные представления. Форма частицы подразумевает сущность, заключённую в малом объёме или в конечной области пространства, тогда как волна распространяется по его огромным областям. В квантовой физике эти два описания реальности не являются взаимоисключающими, но равно необходимыми, дополнительными, для того, чтобы полностью описать рассматриваемые явления. В этом суть принципа дополнительности, сформулированного великим датским физиком Н. Бором.

Атомистическая концепция строения материи

Атомистическая гипотеза строения материи, выдвинутая в античности Демокритом, была возрождена в XVIII в. химиком Дж. Дальтоном, который принял атомный вес водорода за единицу и сопоставил с ним атомные веса других газов. Благодаря трудам Дж. Дальтона стали изучаться физико-химические свойства атома. В XIX в. Д. И. Менделеев построил систему химических элементов, основанную на их атомном весе.

История исследования строения атома началась в 1895 г. благодаря открытию Дж. Дж. Томсоном электрона – отрицательно заряженной частицы, входящей в состав всех атомов. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а атом в целом электрически нейтрален, то было сделано предположение о наличии помимо электрона положительно заряженной частицы. Масса электрона составила по расчётам 1\1836 массы положительно заряженной частицы.

Исходя из огромной, по сравнению с электроном, массы положительно заряженной частицы, английский физик У. Кельвин предложил в 1902 г. первую модель атома – положительный заряд распределён в достаточно большой области, а электроны вкраплены в него, как “изюм в пудинг”. Эта идея была развита Дж. Томсоном. Модель атома Дж. Томсона, над которой он работал почти 15 лет, не устояла перед опытной проверкой.

Модель атома, предложенная Э. Резерфордом в 1911 г. напоминала Солнечную систему: в центре находится атомное ядро, а вокруг него по своим орбитам движутся электроны.

Ядро имеет положительный заряд, а электроны – отрицательный. Вместо сил тяготения, действующих в Солнечной системе, в атоме действуют электрические силы. Электрический заряд ядра атома, численно равный порядковому номеру в периодической системе Менделеева, уравновешивается суммой зарядов электронов – атом электрически нейтрален.

В 1913 г. Н. Бор применил принцип квантования при решении вопроса о строении атома и характеристике атомных спектров. Модель атома Н. Бора базировалась на планетарной модели Э. Резерфорда и на разработанной им самим квантовой теории строения атома. Н. Бор выдвинул гипотезу строения атома, основанную на двух постулатах, совершенно несовместимых с классической физики. Теория Н. Бора представляла собой переходный этап от старой классической физики к новой физике микромира – квантовой механике.

Дальнейшие исследования показали, что в микросистемах, например, в атоме все величины, характеризующие состояние системы, не могут иметь произвольные значения. строго определенный набор дискретных значений. Это относится и к энергии атома и к моменту импульса электрона в атоме и т.д. Большую роль в характеристиках состояния микросистемы играют квантовые числа – целые (некоторые – дробные) числа. Например, энергия атома обратно пропорциональна квадрату числа n, называемом главным квантовым числом. Всего 4 основных квантовых числа.

В 30-х годах ХХ века В. Паули сформулировал принцип, который стал ключом к объяснению периодической системы Д.И. Менделеева. Принцип Паули гласит, что в микросистеме, в частности, в атоме, не может существовать более одной частицы, имеющей все 4 одинаковые квантовые числа. Т.е., в атоме не может быть 2-х и более электронов, находящихся в одинаковых состояниях и характеризующихся 4-мя одинаковыми квантовыми числами.

Использование принципа Паули, а также принципа минимума энергии (система стремится прийти в состояние с наименьшей возможной энергией) позволило объяснить всю таблицу Менделеева.

Порядок и беспорядок в природе

Тепловые явления изучаются двумя теориями: термодинамикой и молекулярно-кинетической теорией (статистической физикой). Термодинамика в отличие от статфизики не рассматривает молекулярного строения тел, основной ее подход, коротко говоря, энергетический. Объектами изучения термодинамики являются термодинамические системы (ТС), состоящие из огромного числа молекул, например, газ в сосуде. Такая система характеризуется рядом величин (характеристик состояния), называемых термодинамическими параметрами. К ним относятся масса, давление, объем, температура (абсолютная).

Любая ТС, предоставленная самой себе, т.е. изолированная или замкнутая, приходит в состояние, которое называется термодинамическим равновесием. Для такого состояния характерно, что температура системы во всех ее частях будет одинаковой.

Термодинамика базируется на трех основных законах (началах). Третий закон имеет ограниченную область применения, а первые два являются фундаментальными законами природы.

Первый закон гласит, что изменение внутренней энергии системы равно механической работе, совершенной над системой, плюс количеству теплоты, полученной системой от нагревателя. 1-й закон термодинамики отражает закон сохранения и превращения энергии применительно к тепловым процессам (исторически установление 1-го закона термодинамики привело к открытию закона сохранения энергии). Этот закон не указывает направление протекания теплового процесса, т.е., он инвариантен относительно направления времени. Однако опыт показывает, тепловые процессы протекают в определенном направлении: теплота самопроизвольно передается от горячего тела к холодному, но не наоборот.

На направление протекания теплового процесса указывает второй закон термодинамики, сформулированный Р. Клаузиусом следующим образом. «В природе не существует процесса, единственным результатом которого было бы передача теплоты от холодного тела к горячему».

Обратимый процесс – это процесс, который будучи проведен в прямом, а затем в обратном направлении, не оставляет никаких следов ни в системе, ни в окружающих телах (например, незатухающие колебания маятника) В противном случае процесс называется необратимым. Опыт показывает, что все реальные процессы в природе необратимы.

Анализируя обратимые процессы, Клаузиус обратил внимание, что можно ввести еще одну величину, которая сохраняется при обратимых процессах и возрастает при необратимых. Он назвал ее энтропией. Теперь появилась возможность сформулировать второй закон термодинамики через энтропию. «Энтропия замкнутой системы не убывает. Она либо возрастает при протекании необратимых процессов, либо постоянна и при этом максимальна при нахождении системы в равновесном состоянии». Однако в рамках термодинамики физический смысл энтропии оставался не очень ясным. Он прояснился в статистической физике. Энтропия характеризует степень беспорядка (хаоса) в системе. Австрийский физик Л. Больцман показал, что для замкнутой системы состояние беспорядка более вероятно, чем упорядоченное, а в равновесном состоянии степень беспорядка (энтропия). и вероятность прихода системы в такое состояние наибольшая. Т.е., во всех замкнутых системах беспорядок может только возрастать.

В открытых системах энтропия может убывать. Например, живой организм с момента зарождения до взросления как система усложняется, возрастает степень его упорядоченности, что равнозначно уменьшению его энтропии.

С 70-х годов двадцатого века бурно развивается теория неравновесных процессов в физических, химических и биологических системах, которая быстро переросла в новую интегральную науку о самоорганизации сложных систем – синергетику. Термин «синергетика» предложил немецкий физик Герман Хакен (от греческого «син» - вместе и «эргон» - действие, буквально совместное действие). Развивающие это же направление наш соотечественник лауреат Нобелевской премии Илья Пригожин и его Брюссельская школа предпочитают термин «неравновесная термодинамика».

Исследование сложных, открытых систем и неравновесных процессов привело физиков и химиков во второй половине двадцатого века к удивительному выводу – из хаоса спонтанно может возникать порядок!

Приведем по одному примеру из физики и химии. Пример из физики относится к гидродинамической неустойчивости в жидкости, открытой Бенаром в 1900 г. Если на подогреваемую сковородку налить масло и насыпать металлических опилок, то вверху образуется более плотный слой. Подогреваемый и поэтому менее плотный нижний слой масла стремится поменяться местами с верхним более плотным слоем. До какого-то момента этому препятствует вязкость масла. По достижении некоторой критической разности температур возникает организованный конвекционный поток, и поверхностный слой масла скачком разделяется на правильные шестиугольные ячейки, напоминающие пчелиные соты – ячейки Бенара.

Пример из химии относится к самопроизвольным химическим реакциям, открытым Б. Белоусовым в 1951 г. (реакции Белоусова – Жаботинского). В таких окислительно-восстановительных реакциях раствор самопроизвольно периодически меняет цвет, например, с красного на синий и наоборот. А начиная с некоторого числа колебаний, определяемого концентрацией, спонтанно образуются неоднородности концентрации и возникают красные и синие слои, сохраняющиеся в течение получаса.

Концепция синергизма состоит в том, что в открытых системах, т.е. системах, обменивающихся с окружающей средой массой, в общем случае энергией, совместное действие малых флуктуаций (случайных возмущений на микроуровне) может привести к процессу самоорганизации на макроуровне. При этом система должна находиться в критическом состоянии, т.е. состоянии крайней неустойчивости подобно шарику на вершине горки.

Важно отметить, что процессам самоорганизации в открытых системах свойственна нелинейность, т.е. этим процессы описываются нелинейными дифференциальными уравнениями, решениям которых свойственны неединственность, неустойчивость и необратимость во времени. В отличие от линейных дифференциальных уравнений, для которых характерны единственные, устойчивые и обратимые решения. Поведение равновесной системы, описываемое линейными дифференциальными уравнениями, строго определено. Малым возмущениям соответствуют малые следствия, и система всегда имеет возможность вернуться в прежнее состояние. В сложных открытых системах возможен необратимый переход в новое состояние с более высоким уровнем упорядоченности.

Еще одним важным выводом синергетики является спонтанность и принципиальная непредсказуемость процессов самоорганизации. Для открытой системы, подошедшей к критическому состоянию – в так называемой точке бифуркации или точке разветвления, комбинация флуктуаций может оказать такое сильное воздействие, что более хаотическое состояние перейдет в более упорядоченное. Причем для системы, находящейся в точке бифуркации, принципиально невозможно предсказать, в каком направлении будет происходить дальнейшее развитие системы.

Синергетика, надеемся, позволит решить сложнейшую и важнейшую задачу естествознания – объяснить возникновение и эволюцию живого. Действительно, с точки зрения синергетики нет ничего удивительного в том, что на определенном этапе сложные физико-химические системы стали биологическими. Закономерна с синергетических позиций и эволюция живого, приведшая к появлению Homo Sapiens.

Успехи синергетики позволили утвердить принцип универсального эволюционизма: эволюционируют любые открытые системы, причем из открытых неживых систем могут возникать открытые живые системы. Таким образом, концепция детерминизма в природе за сто лет после создания статистической физики подверглась большим деформациям и ревизиям в третий раз (с учетом появившихся в начале 20-го века квантовомеханических представлений о причинности). Синергетику в ее нынешнем состоянии можно рассматривать, по мнению одного из ее создателей Хакена, как попытку обобщения дарвинизма, действие которого распространяется не только на органический, но и на неорганический мир.

Творчество в любой сфере, будь то наука, искусство, производство, можно рассматривать как «антиэнтропийную акцию», понижающую хаос в духовном или материальном окружении человека. Имея это ввиду, один из создателей кибернетики Н. Винер как-то сказал: «В этом мире наша новейшая обязанность состоит в том, чтобы устраивать произвольные островки порядка и системы».

Проникновение идей самоорганизации во все сферы культуры фактически привело к смене стиля мышления. Механистический, лапласовский стиль 18-19 века сменился в начале 20-го века на статистически-вероятностный, а в конце его – на синергетический.